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脳オルガノイドとは、ヒトの脳の一部に似た人工的に培養された組織のことです。脳オルガノイドは、多能性幹細胞を3次元培養して作られ、何年も維持することができます。 [ 1 ] [ 2 ]脳は、異質な組織の非常に複雑なシステムであり、多様なニューロンとグリア細胞で構成されています。この複雑さにより、脳を研究し、その働きを理解することは、神経科学において、特に神経発達疾患や神経変性疾患に関しては、困難な課題となっています。in vitro神経モデルを作成する目的は、これらの疾患をより明確な環境で研究することです。この3Dモデルは、多くの潜在的なin vivoの制限から解放されています。ヒトと他の哺乳類モデル間の生理機能の違いは、神経疾患における動物実験の範囲を制限します。幹細胞は、多くの異なるタイプの組織に成長する可能性があり、その運命は多くの要因に依存します。下図は、幹細胞を様々な神経組織に分化させる可能性のある化学的因子の一部を示した画像です。特定のオルガノイドのアイデンティティを生成するためのより詳細な表が公開されています。[ 3 ]同様の技術は、脳オルガノイドを培養するために使用される幹細胞にも使用されています。[ 3 ]
ヒト多能性幹細胞を用いて体外で脳オルガノイドを作製することで、研究者はヒト神経組織の現在の発生メカニズムを分析できるだけでなく、ヒト神経疾患の根本原因を研究することも可能になります。脳オルガノイドは、疾患の病理がどのように機能するかを理解するために使用される研究ツールです。これらのオルガノイドは、現在の体外法では単純すぎる実験に使用できるだけでなく、げっ歯類や他の哺乳類モデルよりもヒトに適用しやすいという利点もあります。例えば、生体内のげっ歯類モデル（マウス、ラット）は、短期および長期の研究において倫理的な懸念があり、非常に高価で時間がかかり、最終的にはヒトの生理機能を誤って表現しています（ScienceDirect、2012）。別の体外研究モデルである初代ニューロンと不死化細胞株（2D細胞培養）は、血液脳関門がなく、3D脳構造や細胞多様性が欠如しています（Spinger Protocols、2010）。歴史的に、脳の働きに関する大きな発見は、人間の脳機能の損傷や障害を研究することによってもたらされてきました。体外ヒト脳モデルは、人間の神経系の理解における次の波を可能にします。[ 1 ]
多能性幹細胞から培養された胚様体は、オルガノイドの作製に用いられる。胚様体は、内胚葉、中胚葉、外胚葉の3つの層から構成されており、それぞれ異なる種類の組織に分化する能力を持つ。[ 1 ]
脳オルガノイドは、外胚葉細胞を誘導して脳オルガノイドに分化させることで形成できます。[ 4 ]一般的な手順は 5 つのステップに分けられます。[ 1 ] [ 5 ]まず、ヒト多能性幹細胞を培養します。次に、胚様体へと培養します。次に、細胞培養を誘導して神経外胚葉を形成させます。神経外胚葉は、マトリゲル液滴内で培養されます。マトリゲルは栄養分を提供し、神経外胚葉は増殖して成長し始めます。脳オルガノイドの対応物における特定の脳領域の複製は、発生のさまざまな段階でオルガノイド環境に細胞外シグナルを加えることによって達成されます。これらのシグナルは、細胞分化パターンに変化をもたらし、目的の脳領域の再現につながることがわかりました。[ 3 ] SMAD 阻害は、通常の脳オルガノイド培養プロセスで、脳オルガノイドにミクログリアを生成するために使用できます。[ 6 ]血管の欠如により、オルガノイドが成長できるサイズが制限されます。これは、オルガノイド開発における主な制限となっています。回転式バイオリアクターを使用すると、オルガノイド内部の細胞への栄養素の供給が改善され、オルガノイドの開発が促進される可能性があります。[ 7 ]回転式バイオリアクターは、細胞培養および組織成長アプリケーションでますます使用されています。このリアクターは、静的に培養された細胞と比較して、より速い細胞倍加時間、細胞増殖の増加、および細胞外マトリックス成分の増加を実現できます。[ 8 ]
スピニングバイオリアクター3D培養法を用いて培養した脳オルガノイドは、視杯、海馬、終脳の腹側部、背側皮質など、さまざまな神経組織に分化することが示されている。[ 9 ]さらに、ヒト脳オルガノイドは、光感受性視杯を内在的に発達させることができることが示されている。[ 10 ]
神経幹細胞/前駆細胞は、自己複製能力と多能性を持つという点で独特です。つまり、神経系の2つの主要構成要素であるニューロンとグリア細胞を生成できるということです。これらの細胞の運命は、分化プロセスに影響を与えるいくつかの因子によって制御されます。神経前駆細胞の空間的位置と時間的特性は、細胞がニューロンを形成するかグリア細胞を形成するかに影響を与える可能性があります。その後の分化は、細胞外環境と細胞シグナルによって制御されます。[ 11 ]神経前駆細胞を海馬組織、視神経、大脳皮質などの特定の神経組織に分化させるために必要な正確な条件と刺激は不明です。脳オルガノイドは、これらのプロセスの発生メカニズムを研究するために使用できると考えられています。[ 7 ]
神経前駆細胞と幹細胞が特定の神経組織に分化しているかどうかをテストするために、いくつかの遺伝子マーカーをテストすることができます。多能性段階に存在する2つのマーカーはOCT4とNANOGです。これらの2つのマーカーは、オルガノイドの発生過程で減少します。神経誘導が成功したことを示す神経アイデンティティマーカーであるSOX1とPAX6は、オルガノイドの発生中に上方制御されます。これらの発現の変化は、脳オルガノイドの自己誘導分化の根拠を裏付けています。[ 1 ]前脳と後脳のマーカーもテストできます。前脳マーカーFOXG1とSIX3は、オルガノイドの発生全体を通して高発現しています。しかし、後脳マーカーEGR2とISL1は初期には存在しますが、後期には減少します。前脳発生へのこの不均衡は、ヒトの脳発生における前脳組織の発生的拡大に似ています。[ 1 ]オルガノイドがさらに領域特異化へと発達するかどうかを検証するために、大脳皮質と後頭葉の遺伝子マーカーが検査された。前脳マーカーFOXG1を持つ多くの領域は、大脳皮質の形態を持つ領域としてラベル付けされ、背側皮質の同一性を示すマーカーEMX1にも陽性であった。これらの特定の領域は、大脳皮質を表す最初のマーカーAUTS2、TSHZ2、およびLMO4によってさらに特定することができ、その後の2つは後頭葉を表す。 [ 1 ] 海馬、腹側前脳、および脈絡叢の遺伝子マーカーも大脳オルガノイドに存在するが、これらの領域の全体的な構造はまだ形成されていない。
大脳オルガノイドには機能的な大脳皮質ニューロンも存在する。これらのニューロンは放射状に組織化された皮質板上に形成されなければならない。マーカーTBR1は皮質板の前駆体である前板に存在し、ニューロンマーカーであるMAP2とともに30日齢の大脳オルガノイドに存在する。これらのマーカーは前板に似た基底神経層を示している。これらの細胞は中性帯に頂端側で隣接しており、リーリン陽性であり、カハール・レチウス細胞の存在を示している。カハール・レチウス細胞は皮質板構造の形成に重要である。[ 7 ] 皮質板は通常、内側から外側に向かって形成され、後から生まれたニューロンが最上層の表層に移動する。この組織は遺伝子マーカー検査に基づくと大脳オルガノイドにも存在する。初期に生まれたニューロンはマーカーCTIP2を持ち、TBR1を示す前板細胞に隣接している。SATB2とBRN2のマーカーを持つ後期に生まれたニューロンは、皮質板層の形成を示唆する初期に生まれたニューロンよりも前板から遠い表層に位置している。さらに、形成後75日経過すると、脳オルガノイドは細胞密度の低い領域である痕跡的な辺縁帯を示す。層状皮質板の形成は脳オルガノイドでは非常に基本的なものであり、オルガノイドには層II-VIの組織化を誘導するシグナルや因子が欠けていることを示唆している。[ 1 ]しかし、脳オルガノイドのニューロンは、GFP染色で示されるように軸索を形成することができる。GFP標識された軸索は、複雑な分岐と成長円錐の形成を示すことが示されている。さらに、カルシウム色素イメージングにより、脳オルガノイドは個々の細胞でCa2 +振動と自発的なカルシウムサージを示すことが示されている。カルシウムシグナル伝達はグルタミン酸によって増強され、テトロドトキシンによって阻害される。[ 1 ]
DishBrainでは、培養したヒト脳細胞をデジタルシステムに統合し、電気生理学的刺激と記録によってシミュレーションされたPongをプレイしました。仮想ゲームワールドに組み込まれた細胞は、「Pongで著しく向上したパフォーマンス」を示しました。 [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] 2020年代には、これらの電気生理学的システムの製造方法と脳オルガノイドとの相互作用方法に大きな変化が生じ、3Dでオルガノイド全体にわたってより良い刺激と記録データが得られる可能性があります。[ 15 ]
幹細胞によって形成された個々の局所組織が、周囲の組織とどのように協調して全体の器官に発達するのかは完全には解明されていない。[ 16 ]しかし、ほとんどの組織分化は周囲の組織との相互作用を必要とし、拡散性誘導因子に依存してさまざまな分化と物理的な局在を阻害または促進することが示されている。[ 16 ]大脳オルガノイドの分化はある程度局所的である。前脳と後脳の前述のマーカーは物理的に局在しており、クラスター状に現れる。これは、1つ以上の細胞が特定のタイプに分化すると、組織全体にランダムな経路ではなく、局所的な刺激が放出されることを示唆している。皮質葉、前頭前皮質、後頭葉のサブスペシデーションのマーカーも物理的に局在している。しかし、海馬と腹側前脳細胞は物理的に局在しておらず、大脳オルガノイド全体にランダムに分布している。[ 1 ]脳オルガノイドには血管がなく、最も内側の細胞での栄養摂取によってサイズが制限されます。回転式バイオリアクターと高度な3D足場技術によりオルガノイドのサイズを大きくすることができますが、in vitro栄養供給システムの統合が脳オルガノイド開発の次の大きな飛躍を引き起こす可能性が高いです。[ 17 ]
脳オルガノイドは、疾患や遺伝子発現を研究するためのモデルとして機能する可能性を秘めている。[ 18 ]しかし、脳オルガノイド組織を評価し、問題となっている疾患や発達状態をモデル化したオルガノイドを作成するためには、診断ツールが必要である。[ 19 ]トランスクリプトーム解析は、個々の患者由来の脳オルガノイドの病理を調べるためのアッセイとして使用されている。[ 20 ]さらに、TUNELアッセイは、脳オルガノイドのアポトーシスの評価マーカーとして研究で使用されている。[ 21 ]脳オルガノイドの分析に使用されるその他のアッセイには、次のものがある。
脳オルガノイドは、遺伝子改変を介して遺伝子発現を研究するために使用できます。[ 18 ]これらの遺伝子改変がオルガノイド全体に存在する程度は、これらの遺伝子改変が行われるときの脳オルガノイドの発生段階に依存します。脳オルガノイドが単細胞段階にあるときなど、これらの改変が早期に行われるほど、これらの改変が脳オルガノイド内のより多くの細胞に影響を与える可能性が高くなります。[ 18 ]これらの遺伝子改変が脳オルガノイド内に存在する程度は、これらの遺伝子改変が行われるプロセスにも依存します。遺伝子情報が機構を介して1つの脳オルガノイド細胞のゲノムに導入された場合、遺伝子改変は複製によって生じる細胞内に存在し続けます。[ 18 ] Crispr/Cas 9は、この長期にわたる遺伝子改変を行うことができる方法です。[ 18 ]トランスポゾンを用いたシステムも、長期的な遺伝子改変を生成する手段として提案されている。しかし、トランスポゾンが細胞ゲノムと相互作用する程度は細胞ごとに異なる可能性があり、脳オルガノイド細胞間で発現のばらつきが生じる可能性がある。[ 18 ]ただし、遺伝子改変が「遺伝子カーゴ」の挿入（アデノ随伴ウイルス/エレクトロポレーション法など）によって行われる場合、脳オルガノイドでは細胞分裂のたびに遺伝子改変の存在が減少することがわかっている。[ 18 ]
脳オルガノイド培養プロセスの改善に役立つ手段として計算手法の利用が求められており、また、現在の方法では提供できない脳オルガノイドのさまざまな構成要素（細胞接続など）の必要な詳細なレンダリングを提供するためにも計算手法の開発が求められている。[ 19 ]詳細な脳オルガノイド形態をモデル化するように設計されたプログラミングはまだ存在しない。[ 19 ]
脳オルガノイドの使用には、細胞運命の可能性、細胞置換療法、細胞型特異的ゲノムアッセイなど、多くの潜在的な用途があります。[ 17 ]脳オルガノイドはまた、神経組織の発達のタイミングに関する独自の洞察を提供し、種間の違いを研究するためのツールとして使用できます。[ 17 ]脳オルガノイドのその他の潜在的な用途には、次のものがあります。 [ 17 ]
脳オルガノイドに関する組織形態形成は、脊椎動物における神経器官の形成過程を網羅している。脳オルガノイドは、その形成過程を研究し、調節し、さらにそれを制御するメカニズムを理解するためのin vitroツールとして利用できる。[ 17 ]
脳オルガノイドは細胞移動の研究に役立つ。神経膠細胞は様々な神経細胞を覆っており、その中にはニューロンの周りを移動するものもある。脳オルガノイドを用いることで、それらの移動を制御する因子やニューロン全般を研究することができる。[ 4 ]
クローン系統追跡は運命マッピングの一部であり、分化した組織の系統を多能性前駆細胞まで追跡する。放出される局所刺激と分化のメカニズムは、脳オルガノイドをモデルとして研究することができる。[ 17 ]脳オルガノイドの遺伝子改変は、系統追跡を実現する手段となり得る。[ 18 ]
脳オルガノイドは、特定の脳領域を培養し、神経変性領域に移植して治療に利用できる。 [ 22 ] [ 23 ]オルガノイドは宿主の血管系と融合し、免疫学的に不活性である。[ 24 ]場合によっては、これらの脳オルガノイドのゲノムを最初に編集する必要がある。[ 20 ]最近の研究では、マウスの脳への脳オルガノイドの移植と統合に成功しており、移植後には細胞分化と血管形成の発達も観察されている。[ 25 ]脳オルガノイドは、構造が類似しているため、ヒトの脳への移植と再建の基盤となる可能性がある。[ 25 ]
脳オルガノイドは、複雑な脳組織の単純なモデルとして、薬剤の効果を研究したり、初期の安全性と有効性をスクリーニングしたりするために使用できます。神経疾患に対する新薬の試験も、薬剤のハイスループットスクリーニング法を脳オルガノイドに適用するこの方法から得られる可能性があります。[ 20 ] 2015年以降、再現性のある脳オルガノイドをハイスループットで生成するためのマイクロスケールデバイスの製造に多大な努力が注がれてきました。[ 15 ]
オルガノイドは、例えば脳の発達に大きな影響を与える遺伝子スイッチを特定して調査するなど、脳の発達の研究に使用できます。 [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]これは、特定の疾患の予防と治療[ 29 ] （下記参照）だけでなく、最近の脳の進化の遺伝的要因（または人間の起源と他の類人猿との進化上の違い）についての洞察[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] 、人間の能力向上と知能の改善、有害なエクスポソームの影響の特定（およびその保護）、または脳の健康寿命の改善など、他の目的にも使用できます。
オルガノイドは、脳の発達の重要な初期段階を研究したり、薬を試験したり、生きた細胞から作ることができるため個々の患者を研究したりするために使用できます。[ 33 ]さらに、血管新生した脳オルガノイドの開発は、将来的に脳卒中治療の研究に使用できる可能性があります。[ 34 ]
ジカウイルスは催奇形性があり、胎児の神経発達に欠陥を引き起こすことが示されています。脳オルガノイドは、ジカウイルスが胎児の脳に及ぼす影響のプロセスを理解し、場合によっては小頭症を引き起こすために研究に使用されてきました。[ 20 ] [ 21 ]ジカウイルスに感染した脳オルガノイドは、感染していないものよりも小さいことがわかっています。これは胎児の小頭症を反映しています。[ 20 ] [ 21 ]ジカウイルスに感染した脳オルガノイドでは、アポトーシスの増加も確認されています。[ 35 ]別の研究では、これらのサンプルで神経前駆細胞（NPC）集団が大幅に減少していることがわかりました。NPC集団が減少した2つの方法は、細胞死の増加と細胞増殖の減少でした。これらの感染オルガノイドでは、 TLR3受容体のアップレギュレーションが確認されました。このTLR3受容体の阻害は、ジカウイルスによって誘発される影響の一部を部分的に阻止することが示された。[ 36 ]さらに、ジカウイルスに感染したオルガノイドでは内腔サイズが増大していることがわかった。[ 20 ] [ 21 ]さまざまな成熟段階でジカウイルスに感染した脳オルガノイドの研究から得られた結果は、発達中の胎児の早期曝露がジカウイルス関連の神経学的先天異常の可能性を高める可能性があることを示唆している。[ 21 ]
コカインは胎児の発育に催奇形性効果を示すことも明らかになっている。脳オルガノイドは、妊娠中のコカイン使用によって引き起こされる胎児の神経学的欠陥に必要な酵素アイソフォームを研究するために使用されてきた。[ 20 ]これらの酵素の1つは、シトクロムP450アイソフォームCYP3A5であることが判明した。[ 20 ]
ある事例では、小頭症患者から培養した脳オルガノイドが関連する症状を示し、原因は明らかに急速な発達とその後の脳の発達の遅れであることが明らかになった。小頭症は、脳が小さいままで、頭が小さくなり衰弱を引き起こす発達上の問題である。小頭症は、この状態を再現しないマウスモデルには適していない。[ 33 ]この疾患の原型は、ミクロセファリン遺伝子のホモ接合変異によって引き起こされると考えられている。マウスモデルでは、ヒトが持つ大脳皮質の拡大の発達段階がないため、この疾患を再現することは難しい。当然ながら、この発達に影響を与える疾患は、そもそもこの発達段階を持たないモデルでは示すことができない。[ 37 ]脳オルガノイドを使用してヒトの小頭症をモデル化するために、ある研究者グループは患者の皮膚線維芽細胞を採取し、4つのよく知られた再プログラミング因子を使用して再プログラミングした。これらには、 OCT4、SOX2、MYC、KLF4が含まれます。再プログラムされたサンプルは、誘導多能性幹細胞にクローン化できました。細胞は、以下の脳オルガノイド作成のセクションで説明されているプロセスに従って、脳オルガノイドに培養されました。結果として得られたオルガノイドは、神経前駆細胞の数が減少し、組織が小さくなっていました。さらに、患者由来の組織は、前駆細胞からなる神経上皮組織が少なく、頻度も低く、放射状グリア幹細胞が減少し、ニューロンが増加していました。これらの結果は、小頭症の根本的なメカニズムは、細胞がニューロンに早期に分化して放射状グリア細胞が不足することによって引き起こされることを示唆しています。[ 1 ]
アルツハイマー病の病理も脳オルガノイドでモデル化されている。[ 38 ]罹患した個人の多能性幹細胞を使用して脳オルガノイドを生成し、健康な個人から合成された対照モデルと比較した。罹患モデルでは、アミロイドβタンパク質によって引き起こされるプラークや神経原線維変化に似た構造が観察され、それが疾患の症状を引き起こしていることがわかった。[ 39 ]これまで、これをこれほど正確にモデル化しようとする試みは成功しておらず、前臨床マウスモデルでの有効性に基づいて開発された薬剤は、ヒト試験では効果がなかった。[ 40 ]
脳オルガノイドは、自閉症スペクトラム障害の研究にも使用できます。[ 41 ]ある研究では、大頭症のASD患者由来の細胞から脳オルガノイドを培養しました。[ 41 ]これらの脳オルガノイドは、患者に見られるASD関連の大頭症表現型の典型的な特徴を反映していることがわかりました。[ 41 ]大頭症のASD患者から脳オルガノイドを培養することで、特定の遺伝子変異と表現型の発現との関連性を明らかにすることができます。[ 41 ] また、健常者と罹患者の合成脳オルガノイドを比較することによって自閉症も研究されています。 [ 42 ] 2つのモデルを観察すると、罹患モデルでは転写因子FOXG1の過剰発現が見られ、 GABA作動性抑制性ニューロンの量が多くなっていました。脳オルガノイドのこの使用の意義は、興奮性/抑制性不均衡仮説[ 43 ]に対する大きな支持を加えたことであり、これが真実であることが証明されれば、この状態を治療するための薬剤の標的を特定するのに役立つ可能性がある。
エピジェネティクスの分野、特にDNAメチル化がASDの発症にどのように影響するかという点も、近年注目を集めている。ASD患者の死後神経サンプルを研究する従来の方法は多くの課題を抱えているため、脳オルガノイドが、エピジェネティック機構が自閉症の発症に及ぼす可能性のある影響を研究する代替方法として提案されている。脳オルガノイドモデルを用いてASDとエピジェネティックパターンを調べることで、エピジェネティックな発達のタイムラインに関する知見が得られる可能性がある。しかし、脳オルガノイドの培養条件が遺伝子発現に影響を与え、結果としてこのモデルを用いた観察結果に影響を与える可能性があることに注意する必要がある。さらに、同じサンプルから培養された脳オルガノイドのばらつきについても懸念がある。[ 44 ]脳オルガノイドが一次サンプルで見られるエピジェネティックパターンをどの程度正確に再現できるかについても、さらなる研究が必要である。[ 44 ]
ヒト胎児脳組織の入手が限られていること、およびヒト皮質形成を研究するための適切な動物モデルがないことから、早産児の低酸素障害の研究は依然として困難である。脳オルガノイドは、出生前病態生理をモデル化し、皮質形成中のさまざまな神経細胞タイプの低酸素に対する感受性を比較するために使用できる。中間前駆細胞は、タンパク質折り畳み異常応答経路のために特に影響を受けるようである。[ 45 ]また、低酸素は脳オルガノイドのアポトーシスを引き起こし、外側放射状グリアと神経芽細胞/未成熟ニューロンが特に影響を受けることも観察されている。[ 46 ]
膠芽腫を研究する従来の方法には限界がある。そのような限界の一例として、サンプルの入手可能性が限られていることが挙げられる。より伝統的なアプローチを使用する際に伴うこれらの課題のため、脳オルガノイドは脳腫瘍の発生をモデル化する代替手段として使用されてきた。ある研究では、CRISPR CAS-9を使用して脳オルガノイドが腫瘍のような性質を反映するようにシミュレートされた。これらの遺伝子改変モデルでは細胞分裂の増加が観察された。脳オルガノイドは、腫瘍形成と浸潤を研究するためにマウスモデルでも使用された。同時に、脳腫瘍の成長は、脳オルガノイドモデルではまだ再現できない環境要因の影響を受ける。脳オルガノイドは、腫瘍発生に関与する遺伝子の調節異常に関する洞察を提供する可能性があることが示されている。[ 35 ]
多発性硬化症は、中枢神経系に影響を与える自己免疫性炎症性疾患です。環境要因と遺伝的要因が多発性硬化症の発症に関与していますが、この疾患の病因は不明です。健常者および多発性硬化症患者由来の誘導多能性幹細胞を脳オルガノイドに培養し、この疾患の革新的なヒトモデルを作成しました。[ 47 ] [ 48 ]多発性硬化症患者由来の脳および脊髄オルガノイドでは、オリゴデンドロサイトの分化、成熟、ミエリン形成能力の低下、ならびにアストロサイト集団とニューロン集団の不均衡が認められました。
脳オルガノイドは、3D細胞培養よりも人間の脳の構造をよりよく反映できること、また、ある程度、長期間にわたる胎児新皮質の発達を反映できることから、好ましいとされています。脳オルガノイドには大きな可能性が秘められていますが、その培養と発達には限界と改善の余地があります。[ 35 ]例えば、1つの脳オルガノイドを作成するのに数ヶ月かかり、分析に使用される方法も時間がかかります。[ 25 ]さらに、脳オルガノイドには、血液脳関門など、人間の脳に典型的な構造がありません。[ 35 ]このため、研究できる疾患の種類が制限されます。その他の限界としては、次のものがあります。
最近まで、オルガノイドの中心部は、酸素や栄養素がその最内層に到達できないために壊死していることがわかっています。 [ 34 ] [ 19 ]これは、脳オルガノイドの生理学的応用を制限することになります。[ 19 ]酸素と栄養素の不足により、神経前駆細胞の成長が制限されます。[ 49 ]しかし、最近の研究結果は、脳オルガノイドの培養過程において、流体デバイスを使用してオルガノイドの培地への曝露を増やすことで壊死中心部を回避できることを示唆しています。[ 19 ]
異なる培養系における脳オルガノイドの構造は変動することがわかっています。均一性を確保するための標準化手順はまだ一般的な慣行にはなっていません。[ 34 ]脳オルガノイド生産の改訂における今後のステップには、脳オルガノイド生成の標準化を確保する方法の作成が含まれます。[ 34 ]そのようなステップの1つとして、脳オルガノイドを培養するゲルの組成と厚さを調節することが提案されています。これは、脳オルガノイド生産の信頼性の向上に貢献する可能性があります。[ 19 ]さらに、脳オルガノイドの生成における変動は、使用される幹細胞の違いによって生じます。[ 20 ]これらの違いは、異なる製造方法または宿主の違いから生じる可能性があります。[ 20 ]また、オルガノイド内で代謝ストレスの増加も確認されています。この代謝ストレスは、オルガノイドの特異性を制限することがわかっています。[ 6 ]オルガノイド培養を効率化するための今後のステップには、一度に複数のサンプルを分析することが含まれます。[ 25 ]
現時点では、脳オルガノイドにおける成熟したシナプスの発達は、使用する培地によって制限されている。[ 34 ]さらに、脳オルガノイドではいくつかの電気生理学的特性が発達することが示されているが、オルガノイドの別々の領域を培養すると、これらの電気生理学的特性の成熟が制限されることが示されている。シナプス形成など、神経発達タイムラインの後期に典型的な電気生理学的神経発達プロセスのモデリングは、脳オルガノイドモデルではまだ提案されていない。[ 6 ]脳オルガノイドは胎児の神経発達中に起こることを反映しているため、後発性疾患がそれらでどのように現れるかについて懸念がある。今後の改善には、脳オルガノイドで神経変性疾患を再現する方法の開発が含まれる。[ 25 ]
脳オルガノイドを疾患モデルとして使用することに関して、痛みなどの感覚を経験したり、意識を発達させる能力を持つ可能性があるため、倫理的な懸念が提起されている。[ 50 ]人間の脳の複雑さに比べて合成モデルが単純であることを考えると、現状ではその可能性は低いが、モデルは光刺激に反応することが示されているため、[ 51 ]現在のモデルには何らかの刺激に反応する余地がある。
グレーゾーンの解決に向けて、2018年にオックスフォード大学で開催されたシンポジウムでは、この分野の専門家、哲学者、弁護士が集まり、新しい技術に関する倫理的な懸念を解消しようと試みました。[ 52 ]同様に、ケース・ウェスタン・リザーブ大学のBrainstormのようなプロジェクトは、脳オルガノイドを研究している研究室を監視することでこの分野の進歩を観察し、将来のガイドラインや法律の基礎となる「哲学的枠組みの構築」を開始しようとしています。[ 53 ]
さらに、動物モデルの「ヒト化」は、ヒト幹細胞由来オルガノイドを他の動物モデルに移植する際の懸念事項として提起されている。[ 49 ] 例えば、ヒト脳組織オルガノイドを仔ラットに移植した際に、この種の将来的な懸念が指摘された。オルガノイドは高い機能性を示し、成熟してラットの脳と統合した。このようなモデルは、ヒトの脳の発達をモデル化したり、実証されているように疾患（およびその潜在的な治療法）を研究するために使用できるが、議論を呼ぶ可能性がある。[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]
脳オルガノイド生成プロトコル